(57)【要約】【課題】  燃料電池での発電電力の変動に伴う発熱量の変動に追随して燃料電池の温度を適正温度に保つことができる燃料電池システムを提供すること。【解決手段】  発電すると共に熱を発生する燃料電池２０と；熱を奪って燃料電池２０を冷却する冷却水ｃを流す冷却水流路２１と；燃料電池２０で発電される発電量を検知する電力計９５と；電力計９５で検知される燃料電池２０の発電量から算出される燃料電池２０の発熱量と燃料電池２０に導入される冷却水ｃの温度とに基づき燃料電池２０から導出される冷却水ｃの温度が第１の所定の温度となるように冷却水ｃの流量を調整する制御装置７５とを備える。【選択図】  図１
2006012564.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電すると共に熱を発生する燃料電池と；
前記熱を奪って前記燃料電池を冷却する冷却水を流す冷却水流路と；
前記燃料電池で発電される発電量を検知する電力計と；
前記電力計で検知される前記燃料電池の発電量から算出される前記燃料電池の発熱量と前記燃料電池に導入される冷却水の温度とに基づき前記燃料電池から導出される冷却水の温度が第１の所定の温度となるように前記冷却水の流量を調整する制御装置とを備える；
燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の下流側の前記冷却水流路に配置され、前記燃料電池で発電した電力のうち負荷側で消費されない余剰電力を熱に変換する発熱体を備える；
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記熱を奪った冷却水から前記熱をさらに奪う温水を流す温水流路と；
前記冷却水流路及び温水流路に配置され、前記冷却水と前記温水との間で熱交換を行なう熱交換器と；
前記熱交換器に導入される冷却水の温度と前記冷却水流路を流れる冷却水の流量とに基づき前記燃料電池に導入される冷却水の温度が第２の所定の温度となるように、前記熱交換器から導出される温水の温度と前記熱交換器に導入される温水の温度との差に基づき前記温水の流量を調整する制御装置とを備える；
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記熱交換器の下流側の前記温水流路に配置され、前記燃料電池で発電した電力のうち負荷側で消費されない余剰電力を熱に変換する発熱体を備える；
請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池で発生した熱を前記温水を媒体として蓄える貯湯槽と；
前記貯湯槽をバイパスするバイパス流路に配置され、該バイパス流路を流れる温水を冷却する冷却装置と；
前記温水流路に配置され、前記貯湯槽に導入される温水の流量と前記冷却装置に導入される温水の流量とを調整する流量調整手段と；
前記貯湯槽から導出される温水の温度が第３の所定の温度以上のときに前記温水を前記冷却装置に導入するように前記流量調整手段を制御する制御装置とを備える；
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関し、特に燃料電池の温度を適正温度に保つことができる燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は水素に富む燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電して水と熱を発生する装置である。燃料電池は燃料の持つ化学エネルギーを力学的エネルギーに変換することなく直接電気エネルギーとして取り出せるので発電効率が高い。燃料電池の発電反応は発熱を伴う化学反応であるので燃料電池を冷却する必要があるが、燃料電池本体の温度が上昇するとセルの触媒の劣化が促進し、燃料電池本体の温度が低下すると発電効率が低下する。したがって、燃料電池は種類に応じた運転時の適正温度があり、発電電力の変動に伴い発熱量が変動しても燃料電池本体が一定の範囲内の温度になるように燃料電池本体の冷却を行なう必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、燃料電池での発電電力の変動に伴い発生した熱量の変動に応じて燃料電池を冷却しようとすると応答遅れが生じてしまい、燃料電池本体の温度を適正温度に保つことが難しかった。また、燃料電池はその構成上、電力を使用する側の負荷の急な変動に追随して発電量を調整することができないため、負荷が急に減少した場合は余剰電力を処理する必要があるが、余剰電力を熱として直接又は間接に燃料電池の冷却水系統に放熱する場合はさらに燃料電池本体の温度を適正温度に保つことが難しかった。
【０００４】
本発明は上述の課題に鑑み、燃料電池での発電電力の変動に伴う発熱量の変動に追随して燃料電池の温度を適正温度に保つことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。また、余剰電力を熱として直接又は間接に燃料電池の冷却水系統に放熱する場合でも燃料電池の温度を適正温度に保つことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するために請求項１に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、発電すると共に熱を発生する燃料電池２０と；熱を奪って燃料電池２０を冷却する冷却水ｃを流す冷却水流路２１と；燃料電池２０で発電される発電量を検知する電力計９５と；電力計９５で検知される燃料電池２０の発電量から算出される燃料電池２０の発熱量と燃料電池２０に導入される冷却水ｃの温度とに基づき燃料電池２０から導出される冷却水ｃの温度が第１の所定の温度となるように冷却水ｃの流量を調整する制御装置７５とを備える。
【０００６】
このように構成すると、燃料電池の発電量から算出される燃料電池の発熱量と燃料電池に導入される冷却水の温度とに基づき燃料電池から導出される冷却水の温度が第１の所定の温度となるように冷却水の流量を調整するので、燃料電池の発熱量を予測して燃料電池を適正温度に保つために必要な流量の冷却水を燃料電池に送ることができ、燃料電池の発熱量に変動があっても燃料電池の温度を適正温度に保つことができる燃料電池システムになる。
【０００７】
また、請求項２に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項１に記載の燃料電池システム１において、燃料電池２０の下流側の冷却水流路２１に配置され、燃料電池２０で発電した電力のうち負荷９９側で消費されない余剰電力を熱に変換する発熱体５０Ａを備える。
【０００８】
このように構成すると、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、燃料電池の下流側の冷却水流路に配置され、燃料電池で発電した電力のうち負荷側で消費されない余剰電力を熱に変換する発熱体を備えるので、燃料電池の温度を適正温度に保ちつつ熱に変換した余剰電力を温熱源として有効に利用するとができる。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム１において、熱を奪った冷却水ｃから熱をさらに奪う温水ｈを流す温水流路３１、４１と；冷却水流路２１及び温水流路３１、４１に配置され、冷却水ｃと温水ｈとの間で熱交換を行なう熱交換器３０と；熱交換器３０に導入される冷却水ｃの温度と冷却水流路２１を流れる冷却水ｃの流量とに基づき燃料電池２０に導入される冷却水ｃの温度が第２の所定の温度となるように、熱交換器３０から導出される温水ｈの温度と熱交換器３０に導入される温水ｈの温度との差に基づき温水ｈの流量を調整する制御装置７５とを備える。
【００１０】
このように構成すると、熱交換器に導入される冷却水の温度と冷却水流路を流れる冷却水の流量とに基づき燃料電池に導入される冷却水の温度が第２の所定の温度となるように、熱交換器から導出される温水の温度と熱交換器に導入される温水の温度との差に基づき温水の流量を調整するので、燃料電池を冷却する冷却水の保有熱量を燃料電池を適正温度に保つために必要な熱量にすることができ、燃料電池の発熱量の変動に追随して燃料電池の温度を適正温度に保つことができる燃料電池システムとなる。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項３に記載の燃料電池システム１において、熱交換器３０の下流側の温水流路３１に配置され、燃料電池２０で発電した電力のうち負荷９９側で消費されない余剰電力を熱に変換する発熱体５０Ｂを備える。
【００１２】
このように構成すると、燃料電池で発電した電力のうち負荷側で消費されない余剰電力を熱に変換する発熱体を備えるので、燃料電池の温度を適正温度に保ちつつ熱に変換した余剰電力を温熱源として有効に利用するとができる。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム１において、燃料電池２０で発生した熱を温水ｈを媒体として蓄える貯湯槽４０と；貯湯槽４０をバイパスするバイパス流路６１に配置され、バイパス流路６１を流れる温水ｈを冷却する冷却装置６０と；温水流路３１、４１に配置され、貯湯槽４０に導入される温水ｈの流量と冷却装置６０に導入される温水ｈの流量とを調整する流量調整手段６２と；貯湯槽４０から導出される温水ｈの温度が第３の所定の温度以上のときに温水ｈを冷却装置６０に導入するように流量調整手段６２を制御する制御装置７６とを備える。
【００１４】
このように構成すると、燃料電池で発生した熱を温水を媒体として蓄える貯湯槽と、バイパス流路を流れる温水を冷却する冷却装置とを備え、貯湯槽から導出される温水の温度が第３の所定の温度以上のときに温水を冷却装置に導入するように流量調整手段を制御するので、燃料電池からの排熱及び余剰電力を変換した熱を貯湯槽に蓄熱して有効に利用することができると共に、燃料電池を適正温度に保つために必要な冷却水が不足することを回避することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料電池から導出される冷却水の温度が第１の所定の温度となるように冷却水の流量を調整するので、燃料電池を適正温度に保つために必要な流量の冷却水を燃料電池に送ることができ、燃料電池の発熱量の変動に追随して燃料電池の温度を適正温度に保つことができる燃料電池システムを提供することができる。また、燃料電池に導入される冷却水の温度が第２の所定の温度となるように、熱交換器から導出される温水の温度と熱交換器に導入される温水の温度との差に基づき温水の流量を調整する場合は、燃料電池を冷却する冷却水の保有熱量を燃料電池を適正温度に保つために必要な熱量にすることができ、燃料電池の発熱量の変動に追随して燃料電池の温度を適正温度に保つことができる燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する装置には同一符号を付し、重複した説明は省略する。なお、図中、破線は制御信号を表す。
【００１７】
図１を参照して本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１を説明するブロック図である。燃料電池システム１は、原料燃料ｍを導入し改質して燃料ガスｒを生成する改質装置１１と、酸化剤ガスａを燃料電池２０に圧送するブロワ１２と、燃料ガスｒと酸化剤ガスａとを導入し電気化学的反応により発電して熱を発生する燃料電池２０と、燃料電池２０を冷却する冷却水ｃと貯湯槽４０に蓄える熱を運ぶ温水ｈとの間で熱交換を行なう熱交換器３０と、燃料電池２０の排熱等を蓄熱する貯湯槽４０と、燃料電池２０で発電した電力のうち余剰電力を熱に変換する発熱体５０Ａ、５０Ｂと、制御装置７５、７６とを備える。
【００１８】
改質装置１１は、都市ガス、ＬＰＧ、消化ガス、メタノール、ＧＴＬ（Ｇａｓ ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄ）や灯油等の原料燃料ｍと改質用水等の改質剤ｓとを導入し、改質して、水素に富む燃料ガスを生成する装置である。なお、水素に富む燃料ガスとは、水素を７５％程度含む燃料ガスである。改質装置１１は改質触媒充填層を有しており、水素に富む改質ガスを生成し、改質ガスから一酸化炭素を低減して燃料ガスｒを生成するように構成されている。原料燃料ｍを改質する水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質装置１１は改質に必要な改質熱を得るための燃焼部１１ａを有している。燃焼部１１ａは起動時は原料燃料ｍの一部と空気とを導入し燃焼して改質熱を得るように構成されている。燃料電池２０が運転され、燃料電池２０から電気化学的反応に使用されなかった水素を含むアノードオフガスｐが排出される場合は、アノードオフガスｐを燃焼部１１ａに導入し燃焼して改質熱を得るように構成されている。改質装置１１は、生成した燃料ガスｒを導出する導出口を有し、導出口は燃料電池２０の燃料極と接続されており、燃料ガスｒは燃料電池２０の燃料極へ供給することができるように構成されている。
【００１９】
ブロワ１２は酸素を含有する酸化剤ガスａを燃料電池２０へ送る機器である。ブロワ１２は、燃料電池２０の発電量に応じた流量の酸化剤ガスａを燃料電池２０に供給することができるように、典型的にはインバータ等の回転翼の回転数を調整することができる手段を備えている。酸化剤ガスａは、典型的には空気である。
【００２０】
燃料電池２０は固体高分子型燃料電池であり、水素に富む燃料ガスｒと酸素を含有する酸化剤ガスａとを導入し電気化学的反応により発電して熱を発生するように構成されている。また、燃料電池２０は、一般的には、発電量を一定の時定数を持って増減することができるが急峻な増減をすることができない特性を有している。燃料電池２０は燃料ガスｒを導入する燃料極と酸化剤ガスａを導入する空気極とを備えており、さらに発電に伴って発生した熱を除去する冷却水ｃを導入する冷却部を備えている。燃料極は、燃料ガスｒを導入する燃料ガス導入口と反応に使用されなかった水素を含むアノードオフガスｐを排出するアノードオフガス排出口とを有している。空気極は、酸化剤ガスａを導入する酸化剤ガス導入口と反応に使用されなかった酸素を含むカソードオフガスｑを排出するカソードオフガス排出口とを有している。冷却部は、温度が低い冷却水ｃを導入する冷却水導入口と燃料電池２０から受熱して温度が上昇した冷却水ｃを導出する冷却水導出口とを有している。また、燃料電池２０には、燃料ガスｒと酸化剤ガスａとの電気化学的反応により発電した発電量を検知する電力計９５が設置されており、電力計９５と制御装置７５との間には信号ケーブルが敷設されている。
【００２１】
燃料電池２０の冷却部の冷却水導入口及び冷却水導出口には冷却水流路２１が接続されている。冷却水流路２１は、燃料電池２０から導出された冷却水ｃが熱交換器３０を通過し、熱交換器３０を通過して温度が下がった冷却水ｃが燃料電池２０に導入されるように循環流路を形成している。冷却水流路２１には内部を流れる冷却水ｃを循環させる冷却水ポンプ２２が配置されている。冷却水ポンプ２２は、典型的にはインバータにより回転数を調整し、燃料電池２０の発熱量に応じて冷却水ｃの流量を調整することができるように構成されている。冷却水ポンプ２２のインバータと制御装置７５との間には信号ケーブルが敷設されている。また、燃料電池２０の冷却水導入口付近の冷却水流路２１には燃料電池２０に導入される冷却水ｃの温度を検知する温度検知器８１が、燃料電池２０の冷却水導出口付近の冷却水流路２１には燃料電池２０から導出される冷却水ｃの温度を検知する温度検知器８２がそれぞれ配置されている。熱交換器３０入口付近の冷却水流路２１には熱交換器３０に導入される冷却水ｃの温度を検知する温度検知器８３が配置されている。温度検知器８１、８２、８３と制御装置７５との間には、それぞれ信号ケーブルが敷設されている。また、冷却水流路２１には内部を流れる冷却水ｃの流量を検知する冷却水流量計９１が配置されており、冷却水流量計９１と制御装置７５との間には信号ケーブルが敷設されている。
【００２２】
熱交換器３０は、冷却水ｃと温水ｈとの間で熱交換を行なう機器であり、典型的にはプレート型熱交換器が用いられる。熱交換器３０は、燃料電池２０から受熱して温度が上昇した冷却水ｃと冷却水ｃよりも温度が低い温水ｈとがカウンターフローにより熱交換し、燃料電池２０の排熱を冷却水ｃから温水ｈに伝達するように構成されている。熱交換器３０は、燃料電池２０から受熱して温度が高い冷却水ｃを導入する冷却水導入口と温水ｈとの熱交換により温度が下がった冷却水ｃを導出する冷却水導出口と、温度が低い温水ｈを導入する温水導入口と冷却水ｃとの熱交換により温度が上昇した温水ｈを導出する温水導出口とを有している。熱交換器３０の冷却水導入口及び冷却水導出口には冷却水流路２１が接続されている。
【００２３】
熱交換器３０の温水導出口には温水流路３１が、温水導入口には温水流路４１が接続されている。温水流路３１は、熱交換器３０から導出された温水ｈが貯湯槽４０の上部に流入するように貯湯槽４０の上部に接続されており、好適には頂部に接続される。温水流路４１は、熱交換器３０に導入される温水ｈが貯湯槽４０の下部から採水されるように貯湯槽４０の下部に接続されており、好適には底部に接続される。温水流路３１、４１は熱交換器３０及び貯湯槽４０と接続されて循環流路を形成している。温水流路４１には内部を流れる温水ｈを循環する排熱回収水ポンプ３２が配置されている。排熱回収水ポンプ３２は、典型的にはインバータにより回転数を調整し、熱交換器３０での交換熱量に応じて温水ｈの流量を調整することができるように構成されている。排熱回収水ポンプ３２のインバータと制御装置７５との間には信号ケーブルが敷設されている。熱交換器３０の温水導入口付近の温水流路４１には熱交換器３０に導入される温水ｈの温度を検知する温度検知器８４が、熱交換器３０の温水導出口付近の温水流路３１には熱交換器３０から導出される温水ｈの温度を検知する温度検知器８５がそれぞれ配置されている。温度検知器８４、８５と制御装置７５との間には、それぞれ信号ケーブルが敷設されている。また、温水流路４１には内部を流れる温水ｈの流量を検知する温水流量計９２が配置されており、温水流量計９２と制御装置７５との間には信号ケーブルが敷設されている。
【００２４】
貯湯槽４０は、頂部に温度が高い温水ｈを導入する温水導入口が、底部に温度が低い温水ｈを導出する温水導出口が設けられている。上述のように、貯湯槽４０の温水導入口には温水流路３１が、温水導出口には温水流路４１が接続されている。熱交換器３０で燃料電池２０の排熱を受熱した温水ｈは温水流路３１を通って貯湯槽４０に流入し、貯湯槽４０に燃料電池２０の排熱が蓄熱されるように構成されている。流入して貯湯槽４０に貯留された温水ｈは、上部の温度が高く下部の温度が低い温度成層が形成されている。さらに貯湯槽４０の上部には、給湯や暖房等の熱需要に向けて温水ｈを導出する熱負荷温水導出口が設けられており、熱負荷温水導出口から給湯や暖房等で利用される温水ｈが導出される。また、貯湯槽４０の下部には熱需要で利用されて減少した水量を補う補給水導入口が設けられている。
【００２５】
貯湯槽４０の温水導出口付近の温水流路４１には貯湯槽４０から導出される温水ｈの温度を検知する温度検知器８６が配置されている。温度検知器８６と制御装置７６との間には信号ケーブルが敷設されている。
【００２６】
燃料電池２０と熱交換器３０とを結ぶ冷却水流路２１及び熱交換器３０と貯湯槽４０とを結ぶ温水流路３１には発熱体５０Ａ、５０Ｂが配置されている。発熱体５０Ａ、５０Ｂは、燃料電池２０で発電された電力のうち電灯や電気機器等の負荷９９側で消費されない余剰電力を熱に変換し、変換した熱を冷却水流路２１を流れる冷却水ｃ及び温水流路３１を流れる温水ｈに伝達するように構成されている。発熱体５０Ａ、５０Ｂは、発熱部を絶縁材料で被覆したケーブル型の電気ヒータであり、冷却水流路２１及び温水流路３１の外周に巻きつけられテープで固定される。本明細書においては外部に発熱体５０Ａ、５０Ｂが巻かれた流路部分も発熱体５０Ａ、５０Ｂというものとする。このように構成すると、人の口に入る可能性のある温水ｈに配管材料以外の材料が接触しないという利点がある。また、発熱体５０Ａ、５０Ｂは発熱部を収容したケーシングに冷却水ｃ及び温水ｈを導入し、発熱部と冷却水ｃ及び温水ｈが接触して冷却水ｃ及び温水ｈの温度を上昇させるように構成されていてもよい。
【００２７】
発熱体５０Ｂの下流側には、循環する温水ｈを貯湯槽４０に流入させずに、貯湯槽４０の温水導出口と熱交換器３０の温水導入口とを接続する温水流路４１にバイパスすることが可能なバイパス流路６１が設けられている。
【００２８】
バイパス流路６１には温水ｈの温度を下げることができる冷却装置６０が配設されている。冷却装置６０は、燃料電池２０を冷却するのに必要な冷却水ｃの温度となるまでに冷却水ｃから熱を奪うことができないほど貯湯槽４０から導出される温水ｈの温度が高いときに、熱交換器３０に導入される温水ｈの温度を冷却水ｃから熱を奪うことができる温度になるまで冷却できるように構成されている。冷却装置６０は冷却板としてのフィンを備えており、フィンに温水ｈを導入して空気と熱交換することにより温水ｈの温度を低下させることができるように構成されている。さらに、冷却装置６０はより多くの空気をフィンに供給して交換熱量を増加するために、強制的にフィンに空気を送る送気ファンを備えている。送気ファンと制御装置７６との間には信号ケーブルが敷設されており、送気ファンは制御装置７６からの信号を受信して発停するように構成されている。
【００２９】
温水流路３１とバイパス流路６１との分岐部には、温水ｈの流量の配分を調整する流量調整手段６２としての三方弁が配設されている。三方弁６２は電動三方弁であり、貯湯槽４０に導入する温水ｈの流量と冷却装置６０に導入する温水ｈの流量との配分を調整することができるように構成されている。また、三方弁６２は、温水ｈの貯湯槽４０への流れと冷却装置６０への流れを切り替える切替弁であってもよい。三方弁６２と制御装置７６との間には信号ケーブルが敷設されており、三方弁６２は制御装置７６からの信号を受信して弁開度の割合調整又は切替動作をするように構成されている。また、三方弁６２の設置位置は、貯湯槽４０及び冷却装置６０の上流側に限られず、貯湯槽４０及び冷却装置６０の下流側であってもよい。
【００３０】
制御装置７５は、温度検知器８１からの温度信号と電力計９５からの発電量の信号と冷却水流量計９１からの流量信号とを受信して、発電量の信号から燃料電池２０の発熱量を算出し、算出した発熱量と受信した燃料電池２０に導入される冷却水ｃの温度信号と冷却水ｃの流量信号とから燃料電池２０より導出される冷却水ｃの予測温度を算出し、算出した燃料電池２０より導出される冷却水ｃの予測温度が第１の所定の温度になるように、冷却水ポンプ２２のインバータに回転数の信号を送信するように構成されている。燃料電池２０より導出される冷却水ｃの温度が所定の温度か否かは温度検知器８２からの信号を受信して確認される。また、制御装置７５は、温度検知器８３、８４、８５からの温度信号と冷却水流量計９１及び温水流量計９２からの流量信号とを受信して、温度検知器８３からの信号と冷却水流量計９１からの信号とにより燃料電池２０に導入される冷却水ｃの温度が第２の所定の温度になるために熱交換器３０で放出すべき熱量を算出し、温度検知器８４、８５と温水流量計９２とから算出した熱量を吸熱できるように排熱回収水ポンプ３２のインバータに回転数の信号を送信するように構成されている。
【００３１】
制御装置７６は、温度検知器８６からの温度信号を受信して、燃料電池２０を冷却するのに必要な冷却水ｃの温度となるまでに熱交換器３０にて冷却水ｃから熱を奪うことができないほど貯湯槽４０から導出される温水ｈの温度が高いときに、三方弁６２に信号を送信して適切な流量の温水ｈを冷却装置６０に流すことができるように、また、すべての温水ｈを冷却装置６０に流しても適切な温度まで下がらないときに冷却装置６０に備えられた送気ファンに信号を送信して送気ファンを運転させることができるように構成されている。
【００３２】
また、燃料電池システム１は、燃料電池２０で発電された電力を系統電力と連系し、燃料電池２０で発電された電力が余剰電力となったときは発熱体５０Ａ、５０Ｂに送電するための、パワーコンディショナ５１と、系統電源９８から負荷９９側へ供給される電力を検知する変流器５４と、パワーコンディショナ５１から導出された電力の発熱体５０Ａ、５０Ｂへの供給を許可し又は遮断する開閉器５５とを備えている。なお、パワーコンディショナ５１は、燃料電池２０で発電された直流電力の電圧を増幅するコンバータ５８と、電圧が増幅された後の直流電力を交流電力に変換するインバータ５９と、変流器５４からの信号を受けて負荷９９側に送電される電力の向きと大きさを検出する検出部５２と、検出された負荷９９側に送電される電力の向きと大きさに基づき発熱体５０Ａ、５０Ｂに送電する電力を制御する制御部５３とを備えている。
【００３３】
引き続き図１を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１の作用について説明する。
都市ガス等の原料燃料ｍと改質用水等の改質剤ｓとが改質装置１１に導入され、改質熱を得て原料燃料ｍが改質されて水素に富む燃料ガスｒが生成される。燃料ガスｒには水素がおよそ７５％含まれる。生成された燃料ガスｒは燃料電池２０の燃料極に送られる。
【００３４】
燃料電池２０では、燃料極に導入された燃料ガスｒ中の水素とブロワ１２により空気極に導入された酸化剤ガスａ中の酸素との電気化学的反応により発電し水と熱を発生する。電気化学的反応に使用されなかった燃料ガスｒはアノードオフガスｐとして燃料電池２０から排出される。電気化学的反応に使用されなかった酸化剤ガスａはカソードオフガスｑとして燃料電池２０から排出される。アノードオフガスｐは水素を４０％程度含んでおり、改質装置１１の燃焼部１１ａに導かれ、燃焼されて改質熱を得るために用いられる。カソードオフガスｑは燃焼部１１ａから排出される排ガスと合流して系外へ排出される。
【００３５】
発電に伴い発熱した燃料電池２０は、冷却部に冷却水ｃが導入されて冷却される。冷却水ｃは冷却水ポンプ２２により冷却水流路２１を循環する。このとき、燃料電池２０のセルの触媒保護及び発電効率向上の観点から燃料電池２０を適正温度に保つ必要がある。ところが、燃料電池２０の発電電力の変動に伴う発熱量の変動に応じて燃料電池２０を冷却しようとすると応答遅れが生じてしまい、燃料電池２０を適正温度に維持できなくなるおそれがある。そこで、以下に示すように冷却水ｃの流量を調整する。
【００３６】
図２は、燃料電池２０を冷却する冷却水ｃの流量を調整する制御を表すフローチャートである。制御装置７５は、電力計９５及び温度検知器８１、冷却水流量計９１からそれぞれ信号を受信して燃料電池２０の発電電力、燃料電池２０入口の冷却水ｃ温度、冷却水ｃの流量を検知する（Ｓ２０１）。制御装置７５は、検知した発電電力から燃料電池２０の発熱量を算出し、検知した燃料電池２０入口の冷却水ｃ温度及び冷却水ｃの流量並びに算出した燃料電池２０の発熱量から予想される燃料電池２０出口の冷却水ｃ温度を算出する（Ｓ２０２）。予想される燃料電池２０出口の冷却水ｃ温度は、（燃料電池２０の発熱量／冷却水ｃの流量）＋燃料電池２０入口の冷却水ｃ温度、で求められる値に熱伝達の効率等を補正して求められる。
【００３７】
予想される燃料電池２０出口の冷却水ｃ温度（以下「予想冷却水ｃ出口温度」という。）が算出されたら、これが燃料電池２０を適正温度に維持するときの燃料電池２０出口の冷却水ｃ温度である第１の所定の温度よりも大きいか否かを判断する（Ｓ２０３）。予想冷却水ｃ出口温度が第１の所定の温度よりも大きい場合は、制御装置７５は冷却水ポンプ２２のインバータに回転数増の信号を送り、信号を受信した冷却水ポンプ２２は回転数を増加して冷却水ｃの流量を増加させる（Ｓ２０４）。冷却水ポンプ２２の回転数を増加して冷却水ｃの流量を増加させたら、予想冷却水ｃ出口温度が第１の所定の温度と等しいか否かを判断するステップ（Ｓ２０７）に進む。
【００３８】
一方、予想冷却水ｃ出口温度が第１の所定の温度よりも大きくない場合は、予想冷却水ｃ出口温度が第１の所定の温度よりも小さいか否かを判断する（Ｓ２０５）。予想冷却水ｃ出口温度が第１の所定の温度よりも小さい場合は、制御装置７５は冷却水ポンプ２２のインバータに回転数減の信号を送り、信号を受信した冷却水ポンプ２２は回転数を減少して冷却水ｃの流量を減少させる（Ｓ２０６）。冷却水ポンプ２２の回転数を減少して冷却水ｃの流量を減少させたら、予想冷却水ｃ出口温度が第１の所定の温度と等しいか否かを判断するステップ（Ｓ２０７）に進む。
【００３９】
予想冷却水ｃ出口温度が第１の所定の温度より大きくも小さくもない場合、又は冷却水ポンプ２２の回転数を増減して冷却水ｃの流量を増減させた場合は、予想冷却水ｃ出口温度が第１の所定の温度と等しいか否かを判断する（Ｓ２０７）。予想冷却水ｃ出口温度が第１の所定の温度と等しくない場合は予想冷却水ｃ出口温度が第１の所定の温度よりも大きいか否かを判断するステップ（Ｓ２０３）に戻り以降の判断を繰り返す。予想冷却水ｃ出口温度が第１の所定の温度と等しい場合は、制御装置７５は、燃料電池２０の発電電力、燃料電池２０入口の冷却水ｃ温度、冷却水ｃの流量を検知するステップ（Ｓ２０１）に戻り以降の処理及び判断を繰り返す。
【００４０】
発熱した燃料電池２０は、上記のように燃料電池２０の発電量から発熱量を予測して温度及び流量が制御される冷却水ｃによって冷却されるため、燃料電池２０からの発熱の影響が燃料電池２０冷却水ｃ出口温度に現れてから冷却水ｃ流量を調整する場合に比べて応答遅れなく冷却され、適正な温度に保たれる。燃料電池２０を冷却して温度が上昇した冷却水ｃは冷却水流路２１を流れ、発熱体５０Ａを通過する。このとき発熱体５０Ａで発熱（燃料電池２０での発電電力の一部が余剰電力となっている状態）があれば冷却水ｃの温度はさらに上昇する。
【００４１】
燃料電池２０で受熱し、発熱体５０Ａを通過してさらに温度が上昇した冷却水ｃは熱交換器３０にて温水ｈと熱交換し温度が低下する。温度が低下した冷却水ｃは再び冷却部に導入され、燃料電池２０を冷却するのに用いられる。冷却水ｃが温水ｈと交換する熱量は、燃料電池２０で受熱し発熱体５０Ａを通過して温度が上昇した冷却水ｃを、燃料電池２０から発生する熱を除去して燃料電池２０を適正な温度に維持するために必要な燃料電池２０に導入する冷却水ｃの温度にする熱量である。具体的には、以下に示すように温水流路３１、４１を流れる温水ｈの流量を調整することで、冷却水ｃと温水ｈとの間で行なわれる交換熱量が調整される。
【００４２】
図３は、冷却水ｃと熱交換する温水ｈの流量を調整する制御を表すフローチャートである。制御装置７５は、温度検知器８３及び冷却水流量計９１からそれぞれ信号を受信して熱交換器３０に導入される冷却水ｃの温度及び冷却水ｃの流量を検知し、検知した冷却水ｃ温度及び流量から燃料電池２０入口の冷却水ｃ温度が第２の所定の温度になるために熱交換器３０で除去すべき熱量Ｑ１を算出する（Ｓ３０１）。
【００４３】
次に制御装置７５は、温度検知器８４、８５及び温水流量計９２からそれぞれ信号を受信して熱交換器３０に導入し導出される温水ｈの温度及び温水ｈの流量を検知し、検知した温水ｈの温度及び流量から熱交換器３０における冷却水ｃへの授与熱量Ｑ２を算出する（Ｓ３０２）。授与熱量Ｑ２は、熱交換器３０出入口における温水ｈの温度差と温水ｈ流量との積に熱伝達の効率等を補正して求められる。
【００４４】
除去熱量Ｑ１と授与熱量Ｑ２とが算出されたら、除去熱量Ｑ１が授与熱量Ｑ２よりも大きいか否かを判断する（Ｓ３０３）。除去熱量Ｑ１が授与熱量Ｑ２よりも大きい場合は、制御装置７５は排熱回収水ポンプ３２のインバータに回転数増の信号を送り、信号を受信した排熱回収水ポンプ３２は回転数を増加して温水ｈの流量を増加させる（Ｓ３０４）。排熱回収水ポンプ３２の回転数を増加して温水ｈの流量を増加させたら、除去熱量Ｑ１が授与熱量Ｑ２と等しいか否かを判断するステップ（Ｓ３０７）に進む。
【００４５】
一方、除去熱量Ｑ１が授与熱量Ｑ２よりも大きくない場合は、除去熱量Ｑ１が授与熱量Ｑ２よりも小さいか否かを判断する（Ｓ３０５）。除去熱量Ｑ１が授与熱量Ｑ２よりも小さい場合は、制御装置７５は排熱回収水ポンプ３２のインバータに回転数減の信号を送り、信号を受信した排熱回収水ポンプ３２は回転数を減少して温水ｈの流量を減少させる（Ｓ３０４）。排熱回収水ポンプ３２の回転数を減少して温水ｈの流量を減少させたら、除去熱量Ｑ１が授与熱量Ｑ２と等しいか否かを判断するステップ（Ｓ３０７）に進む。
【００４６】
除去熱量Ｑ１が授与熱量Ｑ２よりも大きくも小さくもない場合、又は排熱回収水ポンプ３２の回転数を増減して温水ｈの流量を増減させた場合は、除去熱量Ｑ１が授与熱量Ｑ２と等しいか否かを判断する（Ｓ３０７）。除去熱量Ｑ１が授与熱量Ｑ２と等しくない場合は除去熱量Ｑ１が授与熱量Ｑ２よりも大きいか否かを判断するステップ（Ｓ３０３）に戻り以降の判断を繰り返す。除去熱量Ｑ１が授与熱量Ｑ２と等しい場合は、制御装置７５は、冷却水ｃ温度及び流量から燃料電池２０入口の冷却水ｃ温度が第２の所定の温度になるために熱交換器３０で除去すべき熱量Ｑ１を算出するステップ（Ｓ３０１）に戻り以降の処理及び判断を繰り返す。
【００４７】
燃料電池２０で受熱し発熱体５０Ａを通過して温度が上昇した冷却水ｃは、上記のように制御される温水ｈと熱交換するので、燃料電池２０に導入すべき冷却水ｃの温度が第２の所定の温度に調整され、燃料電池２０は適正な温度に保たれる。
【００４８】
熱交換器３０で冷却水ｃと熱交換した温水ｈは温度が上昇する。温水ｈは排熱回収水ポンプ３２により温水流路３１、４１を循環する。温度が上昇した温水ｈは温水流路３１を流れ、発熱体５０Ｂを通過する。このとき発熱体５０Ｂで発熱（燃料電池２０での発電電力の一部が余剰電力となっている状態）があれば温水ｈの温度はさらに上昇する。発熱体５０Ｂを通過した温水ｈは貯湯槽４０の頂部に流入する。
【００４９】
貯湯槽４０に流入した温水ｈは、給湯や暖房で使用することができる程度の温度になっている。貯湯槽４０内は、温水ｈの密度差により、上部に温度が高い温水が、下部に温度が低い温水が貯留されて温度成層が形成されている。このため、形成された温度成層を極力崩さないという観点から、貯湯槽４０に流入する温水ｈの動圧が低い（流速が小さい）方が好ましい。ただし動圧が低すぎると温水流路３１の径が太くなり設置スペース及び設置コストが大になるので、許容範囲内で動圧を低くする。
【００５０】
貯湯槽４０上部に貯留された温度が高い温水ｈは、給湯や暖房等の熱需要に向けて導出される。熱需要で消費され減少した分の温水の替わりに補給水が貯湯槽４０下部の補給水導入口から導入され補給される。補給水導入の際も貯湯槽４０内の温度成層を崩さない観点から低流速で導入することが好ましい。
【００５１】
貯湯槽４０下部の温度が低い温水は、温水流路４１を通り熱交換器３０に導入され、冷却水ｃと熱交換し、温度が上昇して熱交換器３０から導出される。貯湯槽４０から流出する温水ｈの温度は温度検知器８６により検知され、検知された温度は信号として制御装置７６に送信される。制御装置７６は受信した温度信号に基づき温水ｈの温度が第３の所定の温度以上であるか否かを判断する。第３の所定の温度以上であれば三方弁（流量調整手段）６２に開度調整信号を送信する。信号を受信した三方弁６２はモータを駆動し弁開度を比例制御して温水流路３１を流れる温水ｈの一部又は全部を貯湯槽４０に流さずに冷却装置６０に流す。冷却装置６０から導出された温度が低下した温水ｈは貯湯槽４０から流出した温水ｈと混合し、熱交換器３０へ送られ、冷却水ｃと熱交換する。
【００５２】
以上の説明では、改質方式は水蒸気改質方式として説明したが、部分酸化改質方式やオートサーマル改質方式であってもよい。部分酸化改質方式やオートサーマル改質方式を採用した場合は燃焼部１１ａが不要になり、改質装置１１をコンパクトにすることができる。
【００５３】
以上の説明では、燃料電池２０は固体高分子型燃料電池として説明したが、りん酸型燃料電池等の固体高分子型燃料電池以外の燃料電池であってもよい。
【００５４】
以上の説明では、燃料電池２０で発電された電力のうち負荷９９側で消費されない余剰電力を熱に変換する発熱体５０Ａ、５０Ｂが冷却水流路２１及び温水流路３１の両方に設置されているとして説明したが、いずれか一方のみに設置してもよい。また、余剰電力を逆潮流させることなく発熱体５０Ａ、５０Ｂ以外の手段、例えば抵抗器で放電させたりキャパシタに充電させたりして処理する場合は、発熱体５０Ａ、５０Ｂを設置しなくてもよい。
【００５５】
以上の説明では、温度検知器８６は貯湯槽４０の温水導出口付近の温水流路４１に設置されるものとして説明したが、貯湯槽４０の下部に設置してもよい。
【００５６】
以上の説明では、流量調整手段６２は三方弁として説明したが、三方弁に代えて二方弁を温水流路３１、４１及び第１のバイパス流路６１にそれぞれ配設してもよい。
【００５７】
以上の説明では、制御装置７５と制御装置７６とは別個に存在するものとして説明したが、一つの制御装置として構成されていてもよい。
【００５８】
以上のように、本実施の形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池の発熱量の変動に応答遅れなく追随して燃料電池を適正温度に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムを説明するブロック図である。
【図２】燃料電池を冷却する冷却水の流量を調整する制御を表すフローチャートである。
【図３】冷却水と熱交換する温水の流量を調整する制御を表すフローチャートである。
【符号の説明】
【００６０】
１    燃料電池システム
２０  燃料電池
２１  冷却水流路
３０  熱交換器
３１  温水流路
４０  貯湯槽
４１  温水流路
５０Ａ、５０Ｂ  発熱体
６１  バイパス流路
６２  流量調整手段
７５  制御装置
９５  電力計
９９  負荷
ｃ    冷却水
ｈ    温水
【図１】
2006012564.tif 000003
【図２】
2006012564.tif 000004
【図３】
2006012564.tif 000005